內容提要：論文實(shí)現了一種基于Visual C++及GDI+技術(shù)的電子海圖與雷達圖像實(shí)時(shí)疊加的軟件設計。闡述了電子海圖和雷達圖像單獨顯示時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)及操作流程，針對兩者的疊加顯示問(wèn)題，提出了解決方案。該設計滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)性的要求，做到雷達靜態(tài)目標與海圖中的相應目標相互吻合，雷達動(dòng)態(tài)目標在海圖上實(shí)時(shí)、準確地定位顯示。

關(guān)鍵詞：電子海圖 雷達圖像 疊加顯示 GDI+

0 引言

電子海圖顯示與信息系統（Electronic Chart Display Information System——ECDIS）集導航技術(shù)、計算機技術(shù)、計算機圖形顯示技術(shù)及軟件技術(shù)于一體，在海圖信息的基礎上完成各種有關(guān)船舶航行安全的綜合顯示，已成為現代船舶導航系統的核心設備。而用于航行和避碰的雷達又是狹水道、沿岸及霧中等復雜條件下航行所不可缺少的設備。若單獨使用電子海圖或雷達，雖然在一定程度上滿(mǎn)足了船舶安全航行的需求，但它們都存在各自的缺陷（電子海圖無(wú)法顯示動(dòng)態(tài)目標，雷達則不能識別周?chē)繕说膶傩裕?。如果將電子海圖與雷達圖像疊加顯示，則可實(shí)現兩者的優(yōu)勢互補，并彌補了它們單獨使用時(shí)存在的缺陷。

近年來(lái)，隨著(zhù)信息技術(shù)和導航技術(shù)的不斷發(fā)展，海圖和雷達信息數字化之后，兩者間實(shí)現了數據傳輸，使電子海圖與雷達圖像數據信息的疊加顯示成為可能，任何一方的“圖像”可以被疊加到另一方的圖像上。在電子海圖上疊加顯示雷達圖像數據信息，可在原航行水域海圖信息的基礎上提供本船、本船周?chē)撵o態(tài)目標與動(dòng)態(tài)目標三者之間的位置關(guān)系。使本船對周?chē)膽B(tài)勢和會(huì )遇到的局面一目了然，便于盡快作出判斷，避開(kāi)航行危險和障礙物，及時(shí)采取避碰措施，并在電子海圖上跟蹤避碰決策的可行性。

1 總體實(shí)現思路

本設計主要在Visual C++6.0環(huán)境下采用GDI+技術(shù)，實(shí)現以電子海圖為顯示底層，以雷達圖像為動(dòng)態(tài)層的雷達視頻信息的實(shí)時(shí)疊加顯示。

電子海圖的顯示主要按照讀取海圖數據、轉換海圖數據及顯示海圖的順序完成。為了保證S—52標準要求的顯示速度及內容，顯示海圖時(shí)采用雙緩存機制、內存拷貝方式和GDI+技術(shù)，來(lái)提高海圖顯示的速度，使海圖在漫游時(shí)能快速、平滑地移動(dòng)；而繪制雷達圖像則運用快速坐標變換滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。電子海圖與雷達圖象的疊加必須準確定位雷達中心在海圖上的位置，并且隨著(zhù)海圖顯示比例尺和雷達量程的變化，兩者都將作出相應的變化。

2 電子海圖的顯示

2.1 S—57標準的數據結構

符合S—57標準的電子海圖文件中的數據結構由一些記錄和字段組成，而這些記錄和字段都由現實(shí)模型轉換而來(lái)，它們主要包括：特征記錄、空間記錄、矢量記錄、地理特征記錄、指針字段等。在S—57文件中，DDR包含了S—57數據結構中各個(gè)字段的描述：DR則包含了實(shí)際的海圖數據，主要由特征記錄和矢量記錄組成。

2.2 海圖顯示的方法

由于S—57海圖數據文件將ISO/IEC8211:1994作為其數據封裝的標準，而這個(gè)標準并不適合顯示時(shí)使用，所以需要定義自己的數據結構，以滿(mǎn)足IMO S—52標準要求的顯示速度及內容。海圖的顯示主要由三部分來(lái)完成，流程圖如圖1：

（1）讀取海圖數據：讀取按照ISO/IEC8211:1994標準封裝的海圖數據文件，并保存為S—57數據結構。此處主要有數據集DSPM字段、向量記錄VRID、特征信息記錄FRID以及海圖信息記錄MAPINFO等。通過(guò)自定義多個(gè)結構體，先存儲讀取的基本海圖信息，如海圖比例尺、海圖左上角及有下角經(jīng)緯度和海圖中心等，然后將海圖數據進(jìn)行分類(lèi)、排序并分別讀人到對應的點(diǎn)、線(xiàn)、面鏈表中，以供下一步使用。

（2）轉換海圖數據：將前一部分輸出的鏈表記錄轉換成可顯示的數據格式。分別對點(diǎn)、線(xiàn)、面進(jìn)行操作，將點(diǎn)劃分成孤立點(diǎn)和水深點(diǎn)，建立鏈表保存點(diǎn)信息及其對應的索引值；對于線(xiàn)和面則首先讀取顯示屬性數據文件，保存它們的屬性值到定義的鏈表中，然后根據其特征信息FRID來(lái)讀取空間信息VRID。此外，還要確定面物標的邊界及顏色值，水深線(xiàn)作為線(xiàn)物標的一部分單獨存儲并設置水深線(xiàn)間對應面物標的顏色值，最后將海圖信息按照顯示級別進(jìn)行排序。以上保存的鏈表數據作為本部分的輸出供顯示時(shí)使用。

（3）顯示海圖：將第二部分得到的鏈表數據繪制到屏幕上完成海圖的顯示。由于海圖數據中的坐標是實(shí)際地理坐標，不能直接在屏幕上顯示，所以在顯示海圖之前，必須進(jìn)行坐標變換。該變換主要有三步：

實(shí)際地理坐標®墨卡托投影坐標®屏幕坐標。

另外，還設置了屏幕顯示區域，根據Sutherland_Hodgeman原理將多邊形裁剪成匹配屏幕顯示區域的大小，這樣，隨著(zhù)顯示比例尺的變化，可動(dòng)態(tài)的顯示用戶(hù)所需要的那部分海圖。

為了保證S—52標準要求的顯示速度及內容，在顯示海圖時(shí)采用了雙緩存機制及內存拷貝方式。首先在內存中開(kāi)辟一塊與當前DC（pDC）大小一樣的內存DC（pMemoryDC），然后分別利用GDI+技術(shù)繪制各個(gè)圖層，最后再在OnDraw（）中使用雙緩存機制，做一個(gè)屏幕拷貝，將內存設備上的內容一次性顯示在屏幕上，完成顯示工作。因為各圖層的繪圖操作是不可見(jiàn)的，所以避免了窗口重繪時(shí)的閃爍現象。而雙緩存機制及內存拷貝方式的使用，不僅提高了顯示速度，同時(shí)也使海圖在漫游時(shí)能平滑移動(dòng)而不產(chǎn)生滯留的感覺(jué)。

繪制電子海圖時(shí)使用的GDI+，是一種應用程序編程接口（API），在GDI的基礎上發(fā)展而來(lái)，是對原有GDI在功能上的升級。兩者在編程應用上的本質(zhì)區別是GDI+用一個(gè)無(wú)狀態(tài)的模型取代了GDI中把選中項目放到設備環(huán)境（DC）對象上的主要狀態(tài)模型，每個(gè)繪圖操作都是相互獨立的。利用它的這個(gè)特點(diǎn)，可將電子海圖上相同圖層，不同顏色的點(diǎn)、線(xiàn)、面物標同時(shí)繪制而成，從而提高繪圖的速度。另外，應用程序開(kāi)發(fā)人員在輸出屏幕信息的時(shí)候無(wú)須考慮具體顯示設備的細節，只需引入Graphics類(lèi)即可，真正實(shí)現了圖形硬件和應用程序的相互隔離，使開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)設備無(wú)關(guān)的應用程序變得非常容易。

3 雷達顯示

3.1 快速坐標變換

高分辨率雷達掃描變換的關(guān)鍵技術(shù)是將天線(xiàn)掃描時(shí)的極坐標轉換為顯示時(shí)的直角坐標。雷達信號處理的實(shí)時(shí)性同樣也要求高速、高效的地址變換。所以，在雷達顯示中，采取一種快速的坐標變換算法尤為重要。本文主要采用進(jìn)位值法來(lái)實(shí)現快速坐標變換。

當雷達觸發(fā)到來(lái)時(shí)，鎖定一個(gè)天線(xiàn)方位角度q，然后距離r由零計數依次增加，物理意義上表明該方位由雷達天線(xiàn)中心逐步顯示到量程的邊緣。由于雷達回波信號的數據是徑向分布的，其對應的直角坐標可表示為式（1）：

（1）

由于︱cos（q）︳≤1，︱sin（q）︳≤1，所以每執行一次加法，結果的變化量都不會(huì )超過(guò)1?？紤]到屏幕坐標的值為整數，故將X、Y的值分別取整賦予屏幕坐標。

從以上分析不難看出，執行加法操作后真正用到的數據只有進(jìn)位信息，而這個(gè)值對于線(xiàn)性單調變化的r和q每次都是個(gè)定值并且非0即1，所以在具體實(shí)現時(shí)，可事先建立一個(gè)坐標查詢(xún)表，表中對應位存放每次加法操作執行后的進(jìn)位信息，以便計算坐標時(shí)調用。

3.2 雷達顯示

由于雷達實(shí)時(shí)更新數據，所以采用描點(diǎn)的方式繪制，以反映船舶周?chē)繕说倪\動(dòng)態(tài)勢。首先，通過(guò)CDC：：SetMapMode（MM_ISOTROPIC）使x、y軸的邏輯坐標相同，來(lái)保證繪制的雷達圖像是圓形，接著(zhù)利用CDC：：SetWindowExt（）和CDC：：SetViewportExt（）分別設置窗口和視口的范圍，然后通過(guò)CDC：：SetViewportOrg（）設置視口原點(diǎn)，最后在量化的方位上調用坐標變換子程序完成雷達圖像的繪制。

其中，坐標變換子程序負責計算并存儲量化方位上各點(diǎn)的直角坐標值及該點(diǎn)對應的顏色值，而在計算坐標值的時(shí)候又調用了由快速坐標變換得到的坐標查詢(xún)表。

為了實(shí)時(shí)的繪制雷達圖像，在OnDraw（）中設定一個(gè)時(shí)間間隔為2.5 s（雷達轉動(dòng)一周時(shí)間約為2.5～3 s）的定時(shí)器，通過(guò)調用SetTimer（1,2500，NULL）來(lái)實(shí)現，并且添加WM_TIMER的消息響應函數OnTimer（），在響應函數中實(shí)現雷達圖像的實(shí)時(shí)繪制。

4 電子海圖與雷達圖像的實(shí)時(shí)疊加

要將雷達圖像實(shí)時(shí)疊加在電子海圖上，選擇合理、精度高的坐標變化方式，才能使靜態(tài)目標完全吻合，動(dòng)態(tài)目標實(shí)時(shí)準確定位。在這里，電子海圖和雷達圖像的繪制都采用了Visual C++的GDI或GDI+函數，無(wú)論是畫(huà)圖時(shí)的邏輯坐標還是顯示時(shí)的設備坐標，均具有相同的單位，保證了繪圖時(shí)各點(diǎn)對應位置的一致性；而兩者分別使用的坐標變換則提高了坐標變換的精度及繪圖的速度。

雷達圖像疊加于電子海圖，首先應準確定位雷達中心在海圖上的位置，將雷達實(shí)時(shí)位置信息通過(guò)顯示海圖時(shí)的坐標變換（即實(shí)際地理坐標®墨卡托投影坐標®屏幕坐標），轉換為屏幕坐標，從而實(shí)現船舶雷達實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的顯示船舶航行時(shí)周?chē)乃袆?dòng)態(tài)和靜態(tài)目標。

電子海圖采用矢量圖的方式加以顯示，可以實(shí)現無(wú)極縮放、局部放大、漫游等功能，而雷達則采用描點(diǎn)方式顯示，可根據用戶(hù)需要選擇不同量程，還能動(dòng)態(tài)地標出目標的距離及方位。一方面，雷達圖像能隨著(zhù)電子海圖顯示比例尺的變化而放大、縮??；另一方面，電子海圖也能跟著(zhù)雷達量程的變化而作出相應的改變。

對于用戶(hù)關(guān)心的動(dòng)態(tài)目標，可根據用戶(hù)的選擇來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的平滑跟蹤。同一海區的目標還可進(jìn)行多目標的疊加顯示，并通過(guò)不同的顏色來(lái)標識目標的狀態(tài)。目標的動(dòng)態(tài)數據信息，不僅可以實(shí)時(shí)地在海圖上進(jìn)行疊加顯示，而且還可以在視窗中進(jìn)行文本的對照顯示，使用戶(hù)直觀(guān)地了解目標的航行信息。

圖2是電子海圖與雷達圖像疊加顯示的效果圖（由于實(shí)驗條件的限制，兩者顯示的是不同地區，但在適當的雷達量程和海圖比例尺下，對應點(diǎn)坐標是相同的，符合疊加顯示的要求）。

5 結束語(yǔ)

本系統在Visual C++6.0下利用GDI+技術(shù)實(shí)現了電子海圖與雷達圖像的實(shí)時(shí)疊加顯示，較好地解決了電子海圖、雷達圖像單獨顯示和疊加顯示的問(wèn)題，達到了實(shí)時(shí)性的要求。與單一的電子海圖相比，兩者的疊加，不僅突出了電子海圖系統的信息顯示能力，而且提高了使用雷達的避碰能力。同時(shí)，使調度人員能夠方便地了解到作業(yè)船舶在海上的準確位置，及時(shí)、直觀(guān)地了解船舶動(dòng)態(tài)，便于準確下達調度命令，減少了調度失誤，從而在一定程度上減少了由調度人員的失誤而引起的時(shí)間延誤和作業(yè)難度的增加。

參考文獻

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6 [美]David J．Kruglinski．Inside Visual C++，4th Edition[M]．清華大學(xué)出版社，1999．

作者：劉毅 索繼東 曹蘭蘭  來(lái)源：航海技術(shù)